CN112151205B - 一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，属于输电线路导线技术领域，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维35‑42份、玻璃纤维5‑10份、剑麻纤维7‑15份、环氧树脂18‑24份、固化剂9‑12份、液体硅橡胶1.5‑2份、填料2.5‑6份、偶联剂1.2‑1.8份、苯乙烯250‑270份。本发明表面圆整、光洁、平滑、色泽一致，无缺陷，拉伸强度为2673MPa‑2708MPa，弹性模量为140GPa‑151GPa，芯棒在55D直径的筒体上以不大于3r/min的卷绕速度卷绕1圈，芯棒不开裂，不断裂。扭转360°试验，表层不开裂，且扭转后的抗拉强度达到2567MPa以上。160℃高温抗拉强度测试，拉伸强度为2441 MPa‑2455 Mpa。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路导线技术领域，具体涉及一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒。
背景技术
碳纤维复合芯导线是用复合材料芯替代传统钢芯铝绞线中的钢芯制成，是一种全新概念的架空输电线路用导线，是高性能复合材料在输电导线中的创新性应用。先进复合材料芯导线具备强度高、耐腐蚀、导电率高、载流量大、线膨胀系数小、弧垂小、重量轻、使用寿命长等优异性能，能有效满足输变电领域节能、安全、环保和经济性的更高要求。碳纤维复合芯导线在特定新建线路或老旧线路的改造上都有明显经济价值和社会效益。碳纤维复合材料导线的结构与传统的钢芯铝绞线相似，区别在于用碳纤维复合芯代替了钢芯钢绞线，外部一般采用高导电率的软铝绞线。现有的碳纤维复合芯一般是一根由碳纤维为中心层和玻璃纤维包覆制成的复合芯。这样设计，玻璃纤维性脆，很容易损伤碳纤维，且复合芯的韧性有待提高。
授权公告号为CN106298010B的专利公开了一种高韧性抗劈裂碳纤维复合材料导线芯棒及其制备方法，该导线芯棒采用以碳纤维为主体增强纤维的多种纤维混杂复合材料制备，从内到外由刚性芯、韧性层、抗劈裂层和表面耐磨层组成，刚性芯采用高性能碳纤维复合材料保证整体芯棒的抗变形能力，柔韧层采用玻璃纤维复合材料保证芯棒的韧性以达到一定曲率的卷绕，抗劈裂层采用混杂纤维螺旋缠绕结构避免导线芯棒在卷绕中的劈裂问题，表面耐磨层采用碳纤维表面毡或二维编织高性能纤维混杂保证表面耐磨特性以有效保护芯棒内部结构稳定性。该发明的多层结构碳纤维复合材料导线芯棒可提高目前导线钢芯或传统复合材料导线芯棒的综合力学性能，有效延长使用寿命。
公开号为CN104851497A的专利文献公开了三层同心圆的高性能纤维复合材料电缆芯棒及制造方法，该芯棒的内层为碳纤维复合材料，中间层为玻璃纤维复合材料，外层为芳纶纤维复合材料，三层构成同心圆结构。该芯棒还公开了该芯棒的制造方法：碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维在开放式胶槽中浸润液态树脂；浸胶的碳纤维首先形成碳纤维复合材料预成型芯棒；浸胶的玻璃纤维均匀包裹碳纤维复合材料预成型芯棒，形成两层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒；浸胶的且经过在线超声处理的芳纶纤维均匀包裹碳纤维/玻璃纤维复合材料预成型芯棒，得到三层同心圆结构的碳纤维/玻璃纤维/芳纶纤维复合材料芯棒，使芯棒具有高强度、高韧性、高绝缘性、低密度、高拉伸模量的特点。
上述芯棒脆性大，韧性差，在长期使用过程中，很容易开裂或折断，严重影响输电线路的安全运行。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维35-42份、玻璃纤维5-10份、剑麻纤维7-15份、环氧树脂18-24份、固化剂9-12份、液体硅橡胶1.5-2份、填料2.5-6份、偶联剂1.2-1.8份、苯乙烯250-270份。
进一步的，所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为92%以上。
进一步的，所述固化剂为固化剂703、704或781中的一种。
进一步的，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
进一步的，所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙中的一种或多种。
进一步的，所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.5-0.8:0.2-0.5。
进一步的，所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.6:0.3。
碳纤维复合芯导线具备了强度高、导电率高、载流量大、线膨胀系数小、弧垂小、重量轻等优异性能。将其应用于新建输配电线路可以减少杆塔的数量和高度，能够最大限度地节约线路走廊用地，从而减少输配电线路的综合造价成本，节约土地资源，并保护生态环境。对于已有输电线路扩容改造，也可以在不变化已有杆塔和输配电设施的情况下将碳纤维复合芯导线直接替换传统普通钢芯铝绞线以实现扩容。碳纤维复合芯导线可有效实现跨江跨海峡输电问题，实现大跨距输电，其改造现有线路成本低廉的优势也为解决输电线路扩容提供了有效解决方式，从而得到了国内外电力行业的广泛关注。
由于复合材料在各种环境因素作用下会发生老化，本领域的技术人员对碳纤维复合材料导线的耐久性的寿命周期便分外关注。碳纤维复合芯导线生产及施工防线过程中的挤压、弯曲有可能对复合芯造成损伤，复合芯可能会产生表面宏观缺陷，这些都会造成导线使用寿命的降低，乃至造成安全事故，这就需要复合芯具备优异的抗压、抗拉性能。为此，申请人多年来一直致力于碳纤维复合芯棒的研究。公开号为CN110517820A的专利文献公开了一种输电线路碳纤维复合芯导线芯棒，属于输电线路导线技术领域，由以下重量份数的原料制成：改性碳纤维30-40份、玻璃纤维12-20份、聚酯纤维6-12份、氮化硅8-15份、聚氨基甲酸乙酯树脂20-28份、二甲苯205-210份、环氧树脂15-22份、固化剂5.5-10份、表面活性剂1.2-2份。该芯棒具有良好的机械性能，拉伸强度2663MPa以上，弹性模量130GPa以上。公开号为CN110343367A的专利文献公开了一种架空导线用高韧性碳纤维复合芯，所述的复合芯由以下重量百分比的原料制成；碳纤维4-12％，芳纶纤维12-25％，聚乙烯醇纤维15-26％，余量为改性环氧树脂；所述的改性环氧树脂由以下重量份数的原料配制而成：环氧树脂60-80份、苯乙烯-马来酸酐共聚物20-30份，改性氮化硅10-20份、固化剂50-65份和稀释剂15-30份。该架空导线用高韧性碳纤维复合芯韧性好，耐高温性能优异。这些研究虽然能满足一定的使用要求，改善了脆性，但是韧性仍需要提高。因此，申请人在这些研究基础上，不断探究，继续研究高性能的复合芯。
本发明的有益效果是：
本发明采用聚丙烯腈基碳纤维、玻璃纤维、剑麻纤维混纺。聚丙烯腈基碳纤维既有碳材料的固有特征，又兼备纺织纤维的柔性，具有很高的抗拉强度和模量，且具有耐高温、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、导电、耐化学腐蚀、抗蠕变等一系列优异性能。玻璃纤维绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但是性脆，耐磨性较差。剑麻纤维质地坚韧、拉力强、耐摩擦、不易碎断，用剑麻纤维与玻璃纤维混纺，克服了玻璃纤维性脆，耐磨性差的不足。环氧树脂作为复合纤维的基体树脂，与固化剂相配合，具有优良的尺寸稳定性、力学性能、电性能、化学稳定性。为满足复合纤维高韧性的要求，添加液态硅橡胶。填料氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙增强复合纤维的机械强度，同时与液态硅橡胶协同提高复合纤维的韧性。偶联剂提高各组分之间的相容性。
本发明输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒均表现出良好的综合性能：芯棒表面圆整、光洁、平滑、色泽一致，无缺陷，拉伸强度为2673MPa-2708MPa，弹性模量为140GPa-151GPa，芯棒在55D直径的筒体上以不大于3r/min的卷绕速度卷绕1圈，芯棒不开裂，不断裂。扭转360°试验，表层不开裂，且扭转后的抗拉强度达到2567MPa以上。160℃高温抗拉强度测试，拉伸强度为2441 MPa -2455 Mpa。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维35份、玻璃纤维5份、剑麻纤维7份、环氧树脂18份、固化剂9份、液体硅橡胶1.5份、填料2.5份、偶联剂1.2份、苯乙烯250份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为92%。所述固化剂为固化剂703。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。所述填料为氮化硅。
实施例2
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维36份、玻璃纤维6份、剑麻纤维8份、环氧树脂20份、固化剂10份、液体硅橡胶1.6份、填料3份、偶联剂1.3份、苯乙烯253份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为93%。所述固化剂为固化剂704。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。所述填料为纳米二氧化钛。
实施例3
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维37份、玻璃纤维7份、剑麻纤维9份、环氧树脂21份、固化剂10.5份、液体硅橡胶1.7份、填料3.5份、偶联剂1.4份、苯乙烯255份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为94%。所述固化剂为固化剂781。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH551。所述填料为碳化钙。
实施例4
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维38份、玻璃纤维8份、剑麻纤维10份、环氧树脂22份、固化剂11份、液体硅橡胶1.8份、填料4份、偶联剂1.5份、苯乙烯258份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为95%。所述固化剂为固化剂703。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH551。所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.5:0.2。
实施例5
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维39份、玻璃纤维9份、剑麻纤维11份、环氧树脂22份、固化剂11份、液体硅橡胶1.9份、填料4.5份、偶联剂1.6份、苯乙烯260份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为96%。所述固化剂为固化剂704。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH551。所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.6:0.3。
实施例6
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维40份、玻璃纤维9份、剑麻纤维13份、环氧树脂23份、固化剂11.5份、液体硅橡胶2份、填料5份、偶联剂1.7份、苯乙烯265份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为95%。所述固化剂为固化剂781。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550。所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.7:0.4。
实施例7
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维42份、玻璃纤维10份、剑麻纤维15份、环氧树脂24份、固化剂12份、液体硅橡胶2份、填料6份、偶联剂1.8份、苯乙烯270份。
所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为94%。所述固化剂为固化剂703。所述偶联剂为硅烷偶联剂KH551。所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1: 0.8: 0.5。
实施例8
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，原料的组分及含量同实施例5，但与实施例5不同的是，本实施例中，剑麻纤维采用的是改性剑麻纤维。所述改性剑麻纤维由以下重量份数的组分制成：剑麻纤维3份、丁基异腈酸酯1.1份、乙酸乙酯36份、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯2.5份。
实施例9
一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，原料的组分及含量同实施例5，但与实施例6不同的是，本实施例中，剑麻纤维采用的是改性剑麻纤维。所述改性剑麻纤维由以下重量份数的组分制成：剑麻纤维3份、丁基异腈酸酯1.2份、乙酸乙酯48份、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯2.6份。
实施例1-9中，输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒的制备方法，包含以下步骤：
1.将聚丙烯腈基碳纤维、玻璃纤维、剑麻纤维各加S捻，100捻/米，然后各取1根合并，加Z捻，100捻/米，制成复合纤维线，然后置于质量分数为10%的硝酸水溶液中浸泡30min；
2.将环氧树脂、固化剂、液体硅橡胶、填料、偶联剂混合后，以200r/min的转速常温搅拌60s，然后加入苯乙烯，保持转速不变，继续搅拌8min,得到混合液；
3.将步骤1得到的复合纤维线加入到步骤2的混合液中浸渍2h；
4.将步骤3浸渍后的复合纤维线通过预成型模具中进行预成型，然后经过成型模、升温定型，预成型温度为125℃，成型模内设有两个温控区，分别为150℃和170℃，升温定型温度为190℃，随后在模具出口冷却，牵引，收卷，即可。
将剑麻纤维经丁基异腈酸脂、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯改性后，提高界面结合形和拉伸性能。复合纤维线在硝酸水溶液中浸泡去除表面杂质，同时在纤维表面形成粗糙表面，增加表面积。
对比例1
本对比例提供一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒,同实施例1，与实施例1不同的是，本对比例缺少剑麻纤维。
对比例2
本对比例提供一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒,同实施例1，与实施例1不同的是，本对比例缺少液体硅橡胶。
对比例3
本对比例提供一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒,同实施例1，与实施例1不同的是，本对比例缺少填料。
对比例4
本对比例提供一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒,同实施例1，与实施例1不同的是，本对比例的制备方法步骤1中，没有置于质量分数为10%的硝酸水溶液中浸泡。
测试方法
将实施例1-9及对比例1-4的输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒进行性能测试,按照GB/T29324-2012标准执行。
表1 实施例1-9及对比例1-4输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒测试结果
| 抗拉强度( Mpa) | 弹性模量（GPa) | 卷绕 | 扭转( Mpa) | 高温抗拉强度160℃( Mpa) | |
| 实施例1 | 2673 | 140 | 不开裂、不断裂 | 2567 | 2441 |
| 实施例2 | 2676 | 142 | 不开裂、不断裂 | 2567 | 2442 |
| 实施例3 | 2687 | 142 | 不开裂、不断裂 | 2569 | 2442 |
| 实施例4 | 2689 | 143 | 不开裂、不断裂 | 2570 | 2444 |
| 实施例5 | 2694 | 145 | 不开裂、不断裂 | 2575 | 2448 |
| 实施例6 | 2692 | 144 | 不开裂、不断裂 | 2573 | 2446 |
| 实施例7 | 2689 | 142 | 不开裂、不断裂 | 2569 | 2444 |
| 实施例8 | 2705 | 151 | 不开裂、不断裂 | 2578 | 2455 |
| 实施例9 | 2708 | 150 | 不开裂、不断裂 | 2578 | 2454 |
| 对比例1 | 2469 | 116 | 开裂、不断裂 | 2387 | 2377 |
| 对比例2 | 2465 | 123 | 开裂、不断裂 | 2383 | 2370 |
| 对比例3 | 2417 | 132 | 开裂、不断裂 | 2486 | 2313 |
| 对比例4 | 2577 | 135 | 不开裂、不断裂 | 2519 | 2386 |
结合表1，对本发明实施例1-9及对比例1-4输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒的性能进行测试，实施例1-9输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒均表现出良好的综合性能：芯棒表面圆整、光洁、平滑、色泽一致，无缺陷，拉伸强度为2673MPa-2708MPa，弹性模量为140GPa-151GPa，芯棒在55D直径的筒体上以不大于3r/min的卷绕速度卷绕1圈，芯棒不开裂，不断裂。扭转360°试验，表层不开裂，且扭转后的抗拉强度达到2567MPa以上。160℃高温抗拉强度测试，拉伸强度为2441 MPa -2455 Mpa。对比例1缺少剑麻纤维，对比例2缺少液体硅橡胶，对比例3缺少填料，对比例4没有在硝酸溶液中浸泡，芯棒的性能有所下降，说明本申请配方和工艺适配，能有效改善芯棒的抗拉、抗压性能，韧性高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，其特征在于：由以下重量份数的原料制成：聚丙烯腈基碳纤维35-42份、玻璃纤维5-10份、剑麻纤维7-15份、环氧树脂18-24份、固化剂9-12份、液体硅橡胶1.5-2份、填料2.5-6份、偶联剂1.2-1.8份、苯乙烯250-270份；所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙中的一种或多种；
所述剑麻纤维采用的是改性剑麻纤维；所述改性剑麻纤维由以下重量份数的组分制成：剑麻纤维3份、丁基异腈酸酯1.1份、乙酸乙酯36份、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯2.5份，或者剑麻纤维3份、丁基异腈酸酯1.2份、乙酸乙酯48份、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯2.6份；
所述输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒的制备方法，包含以下步骤：
1.将聚丙烯腈基碳纤维、玻璃纤维、剑麻纤维各加S捻，100捻/米，然后各取1根合并，加Z捻，100捻/米，制成复合纤维线，然后置于质量分数为10%的硝酸水溶液中浸泡30min；
2.将环氧树脂、固化剂、液体硅橡胶、填料、偶联剂混合后，以200r/min的转速常温搅拌60s，然后加入苯乙烯，保持转速不变，继续搅拌8min,得到混合液；
3.将步骤1得到的复合纤维线加入到步骤2的混合液中浸渍2h；
4.将步骤3浸渍后的复合纤维线通过预成型模具中进行预成型，然后经过成型模、升温定型，预成型温度为125℃，成型模内设有两个温控区，分别为150℃和170℃，升温定型温度为190℃，随后在模具出口冷却，牵引，收卷，即可。
2.如权利要求1所述的一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，其特征在于：所述聚丙烯腈基碳纤维的含碳量为92%以上。
3.如权利要求1所述的一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，其特征在于：所述固化剂为固化剂703、704或781中的一种。
4.如权利要求1所述的一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂。
5.如权利要求1所述的一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，其特征在于：所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.5-0.8:0.2-0.5。
6.如权利要求5所述的一种输电导线专用高韧性碳纤维复合芯棒，其特征在于：所述填料为氮化硅、纳米二氧化钛、碳化钙的混合物，氮化硅：纳米二氧化钛：碳化钙的重量比为1:0.6:0.3。
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